1.- Conversión de la energía electromagnética
La conversión de energía electromagnética es el proceso de convertir energía de su forma eléctrica a su forma mecánica o viceversa, el cual ocurre a través del campo eléctrico o magnético de un dispositivo de conversión. (Fuentes, 2013) A pesar de que los diferentes dispositivos de conversión de energía operan sobre la base de los mismos principios, sus estructuras dependen de su funcionamiento. (Calvopiña, 2001) Los dispositivos se clasifican en tres categorías: •
•
•
Dispositivos traductores Dispositivos de producción de fuerza Equipos de conversión energética continua
FIGURA 1. Proceso de conversión de energía en un dispositivo de conversión.
FUENTE: Fuentes, M. (2013). Mecánica y Electrotecnia. Segunda Edición.
Buenos Aires: REVERTÉ.
FIGURA 2. Equipo de conversión energética continua
FUENTE: : Fuentes, M. (2013). Mecánica y Electrotecnia. Segunda Edición.
Buenos Aires: REVERTÉ.
2.- Modelo básico: Sistema de Excitación Simple
Consideremos el dispositivo elemental de la figura compuesto por un circuito magnético fijo (L1), un trozo de material ferromagnético el cual puede moverse en la dimensión x arrastrando una cierta masa (M). Supondremos que no existen pérdidas de ningún tipo ni fricción. FIGURA 3. Circuito magnético fijo (LI).
FUENTE: Ponce, Isac (2017). Energía en sistemas magnéticos con excitación simple.
Durante un cierto intervalo de tiempo la masa (m) se mueve, desarrollando entonces un trabajo mecánico.
El circuito magnético configura un electroimán, que al excitarlo con la corriente “I” atrae al trozo del material ferromagnético, el cual arrastra la masa (M) realizando así un trabajo. FIGURA 4. Circuito magnético excitado.
FUENTE: Ponce, Isac (2017). Energía en sistemas magnéticos con excitación simple.
3.- Conservación de la energía en el sistema con excitación simple
Se conoce que la energía eléctrica en un circuito magnético cambia la energía magnética almacenada, por lo tanto existen cambios en la energía mecánica del sistema (la masa se mueve), entonces como el sistema no tiene pérdidas y el intervalo de tiempo puede ser tan pequeño como se quiera se debe cumplir que: =
. ()
Nuestros conocimientos ya adquiridos anteriormente nos permiten escribir, llamado F a la fuerza sobre la masa M que: =
. ()
= . () FIGURA 5. Conservación de la energía en sistemas con excitación simple
FUENTE: Botero, H. A., & Ramírez, J. M. (2008). Identificación de sistemas de excitación: análisis detallado de metodología y resultados. Dyna, 75(156), 65-77 4.- Relación entre flujo y corriente.
En un circuito magnético simple la relación entre estas variables está dada por la curva de magnetización. Esta relación cambia según el material ferromagnético que se use siendo el mejor la hoja de acero. Esta relación se produce por el efecto de saturación en el circuito magnético compuesta por el circuito magnético fijo y el tipo de material ferromagnético. A medida que avanza el flujo, va cambiando el espacio de entrehierro por lo que la reluctancia varía lo cual hace que el flujo cambie a igual cantidad de corriente. (Ponce, 2017) 5.- Máquinas rotativas
Una de las aplicaciones más importantes del electromagnetismo son las máquinas rotatorias o convertidores electromecánicos. 5.1.- Tipos de convertidores: 5.1.1.- Generadores: Transforman energía mecánica en energía eléctrica. 5.1.2.- Motores: Transforman energía eléctrica en mecánica. 5.2.- Partes 5.2.1.- Inductor
Es una de las dos partes fundamentales de las máquinas rotatorias . El inductor es el encargado de crear y conducir el flujo magnético. También se le llama estator por ser la parte fija de la maquina. FIGURA 6. Partes del inductor de una máquina rotativa.
FUENTE: Botero, H. A., & Ramírez, J. M. (2008). Identificación de sistemas de excitación: análisis detallado de metodología y resultados. Dyna, 75(156), 65-77
Las partes del inductor representadas en la Figura anterior son: 5.2.1.1.- Núcleo:
Parte de material ferromagnético encargada de confinar el flujo magnético creado por los devanados inductores. En ocasiones se le denomina culata. 5.2.1.2.- Polos:
Son dos alargamientos del núcleo en los cuales se instalan los devanados inductores. Se les llama así por que actúan como los polos de un imán cuando sus respectivos devanados son recorridos por una corriente eléctrica. 5.2.1.3.- Expansión Polar: es un ensanchamiento de los polos cerca del inducido. 5.2.1.4. Devanado inductor:
Conjunto de espiras que producirá un flujo magnético cuando sean recorridas por una corriente eléctrica. 5.2.2.- Inducido
Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la máquina. El inducido consta de: FIGURA 7. Partes del inducido de una máquina rotativa.
FUENTE: Botero, H. A., & Ramírez, J. M. (2008). Identificación de sistemas de excitación: análisis detallado de metodología y resultados. Dyna, 75(156), 65-77 5.2.2.1.- Núcleo: El
núcleo del inducido está formado por un cilindro de chapas magnéticas generalmente construidas de acero laminado con un 2% de silicio para reducir las pérdidas. Este cilindro se fija al eje de la maquina descansando sobre unos cojinetes que facilitan la posibilidad de giro del mismo.
5.2.2.2.- Devanado inducido: Se encuentra conectado al circuito exterior por medio
del colector y sus delgas . En él es donde se produce la conversión de energía.
6.- Energía en un sistema de campo magnético de excitación única
Fuerza producida mediante el campo magnético ( _ ) La energía en dichos dispositivos se acumula en campos de dispersión y en algunas extensiones del núcleo mismo. Sin embargo la energía acumulada no entra de forma directa en proceso de transformación. Considere el Relé electromagnético : FIGURA 8. Relé electromagnético
FUENTE: Ponce, Isac (2017). Energía en sistemas magnéticos con excitación simple.
La resistencia de la bobina de excitación se presenta como una resistencia externa R, y las variables de la terminal mecánica se muestra como fuerza generada mediante un campo magnético dirigido del relé hacia el sistema mecánico externo y un desplazamiento x,en tanto, las perdidas mecánicas se incluyen como elementos externos conectados a la terminal. El núcleo magnético y el armazón constituyen un sistema de almacenamiento energético sin pérdida. FIGURA 9. Sistema de almacnamiento energético sin pérdida
FUENTE: Ponce, Isac (2017). Energía en sistemas magnéticos con excitación simple.
7.- Ejercicios
Un motor de corriente continua de excitación simple e independiente de 10 kW se conecta a una tensión de 110 V. Determinar la corriente absorbida por el mismo en el arranque, si la resistencia interna del inducido y de los polos de conmutación es de 0,3 Ω y la caída de tensión de las escobillas es de aproximadamente 2 V. De qué valor tendrá que ser la resistencia del resotato de arranque que habrá que conectar en serie con el inducido para que la intensidad en el arranque no supere 2 veces a la nominal? 7.1.
→ = 0 →
′
=0
Fórmula para calcular voltaje en un punto: = 2 ∗ + ′
=
110 − 2 0,3
= 360
Para obtener la initensidad nominal, se parte de la ley de Ohm: = ∗
=
=
10000 110
= 91
La intensidad de arranque debe ser como máximo el doble de la intensidad nominal: = 2 ∗ = 2 ∗ 91 = 182
Para calcular la resistencia del reostato cuando el circuito está conectado en serie: = ∗ ∗ + ′ =
110−2−182∗0,3 182 = 0,29 Ω
7.2 Un motor shunt es alimentado con una corriente de armadura de 40 [A] desde una
fuente de 120 [V]. En estas condiciones el motor entrega potencia mecánica de 4[kW] en su eje a una velocidad de 20 [rev/s]. La resistencia de armadura es de 0,25. Se pide calcular: a) el torque mecánico que se pierde por efecto del roce a 20 [rev/s]. b) La corriente de armadura requerida para entregar la mitad de la potencia mecánica a la misma velocidad. RESOLUCION: a)
b) Puesto que P= wT, mitad de potencia implica mitad de torque, por lo tanto: Tm= 15,9 [Nm]. Ademas, las perdidas por roce son idénticas debido a que la velocidad no cambia, por lo cual: Te= 15,9 + 3,2 = 19,1 [Nm]. El torque eléctrico se sabe que:
Dado que el flujo solo depende del voltaje aplicado al estator, el cual es constante, se puede establecer la siguiente relación:
Con ello:
8.- Aplicaciones de la energía en sistemas magnéticas con excitación simple
8.1.- "Resonancias de larga vida" es un equipo de ingenieros estadounidenses ha conseguido desarrollar un sistema de conducción eléctrica sin cables con una eficiencia del 40%. Puede puede ser utilizadas para suministrar energía a dispositivos portátiles, como ordenadores o celulares 8.2.- Uno de los ejemplos de uso común es: la transmisión información por el aire, como en la radio y la televisión, con la característica de que la energía se dispersa en todas direcciones. 8.3.- Sistema de Resonancia Magnética y el Wireless Electricity donde la transferencia de potencia implica que tanto el generador como el receptor dispongan de bobinas de cobre especialmente diseñadas, que son las que resuenan. 8.4.- Los alternadores están creados, siguiendo el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable, durante un determinado tiempo se va a inducir una tensión eléctrica o fuerza electromotriz.
9.- Anexos trabajo práctico
Principio Básico de motor magnético de energía libre
Componentes:
CD 10 imanes sencillos 1 imán de neodimio Eje de quemador de CD Silicona
Elaboración
Ubicación de los imanes sencillos deben ser en espiral y con cargas del mismo polo, el imán de neodimio está en forma de polo opuesto al sistema en espiral. Fundamento del funcionamiento
Energía Magnética
Es aquella energía proveniente de un material ferromagnético con ciertas propiedades lo cual es el causante del campo magnético de dicho material. Los motores eléctricos están compuestos principalmente por dos piezas, estator la cual es una pieza fija y el rotor que se encuentra libre rotacionalmente, el campo magnético forma parte del rotor.
FIGURA 10. Principio básico de motor magnético
10.- Bibliografía
10.1. Fuentes, M. (2013). Mecánica y Electrotecnia. Segunda Edición. Buenos Aires: REVERTÉ. 10.2. Ponce, Isac (2017). Energía en sistemas magnéticos con excitación simple. 10.3. Aplicaciones E. Magnética .(2009).Recuperado de: https://www.tendencias21.net/Laelectricidad-sin-cables-ya-es-una-realidad_a1614.html 10.4. Botero, H. A., & Ramírez, J. M. (2008). Identificación de sistemas de excitación: análisis detallado de metodología y resultados. Dyna, 75(156), 65-77.
